RU2552389C1

RU2552389C1 - Device for diagnostics of gas turbine twin-shaft inter-rotor bearing

Info

Publication number: RU2552389C1
Application number: RU2014102862/28A
Authority: RU
Inventors: Георгий Константинович Герман; Алексей Игоревич Зубко; Игорь Олегович Зубко; Екатерина Викторовна Костикова; Дмитрий Вячеславович Отрох
Original assignee: Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО"
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2015-06-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.SUBSTANCE: bearing serviceability is checked out at shutdown engine. First, at production state the device intrinsic frequencies are defined and tuned out from engine component resonance frequencies and controlled bearing working oscillation frequencies being measured. Prior to check-out, plugs of high-pressure turbine blade leading edge inspection holes are withdrawn. Hollow cylindrical barrel is screwed in thread joint of said hole for oscillation duct with LF or HF vibration transducer and vibration signal processing system fitted therein to be fitted therein with the help of pressure screw. Said oscillation duct is arranged to thrust against high-pressure turbine blade platform, thrust force being controlled by pressure screw acting to damper spring. To estimate oscillation amplitude excited by said bearing, low-pressure rotor is spun up by manual drive. Vibrosignal from inter-rotor bearing is transmitted via disc and said high-pressure turbine blade platform to vibration transducer. Vibrosignal is analyzed at post-processing conditions to reveal fault of said bearing.EFFECT: higher validity of check-out.2 dwg

Description

Изобретение относится к устройству для комплексной диагностики технического состояния межроторных подшипников двухвальных авиационных и наземных газотурбинных двигателей методами вибродиагностики и может быть использовано в авиадвигателестроении и организациями, эксплуатирующими данные двигатели, для раннего выявления возникающих дефектов в процессе изготовления, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта газотурбинных двигателей.The invention relates to a device for comprehensive diagnostics of the technical condition of rotor bearings of twin-shaft aircraft and ground-based gas turbine engines using vibration diagnostics and can be used in aircraft engine manufacturing and organizations operating these engines for early detection of defects in the manufacturing, operation, maintenance and repair of gas turbine engines.

Межроторный подшипник является одним из самых уязвимых элементов авиационных двухконтурных двигателей. Это объясняется постоянно изменяющимися многофакторными нагрузками, воздействующими на подшипник. Методики расчета долговечности подшипников, работающих в таких условиях, не учитывают всех внешних факторов и дают значительное отклонение от реально полученных результатов. Большой разброс наработки до отказа межроторного подшипника свидетельствует о нестабильности нагрузок, воздействующих на подшипник на разных объектах.The rotor bearing is one of the most vulnerable elements of aircraft bypass engines. This is due to constantly changing multifactor loads acting on the bearing. Methods for calculating the durability of bearings operating under such conditions do not take into account all external factors and give a significant deviation from the actual results. The large spread in operating time to failure of the inter-rotor bearing indicates the instability of the loads acting on the bearing at different facilities.

Количество поврежденных подшипников качения составляет всего несколько процентов от числа двигателей, на которых они установлены, но при этом последствия для газотурбинного двигателя и для всего летательного аппарата в целом могут быть столь существенны, что это выводит данный отказ на одно из первых мест в списке наиболее опасных неисправностей. Выход из строя межроторного подшипника может привести к созданию и развитию аварийной ситуации из-за отказа двигателя в полете и, как следствие, вынужденному прекращению полетного задания на самолетах с двумя двигателями либо потере летательного аппарата, если на нем установлен только один двигатель. Поэтому определение технического состояния межроторного подшипника и контроль его изменения, необходимый для раннего обнаружения зарождающихся дефектов на всех этапах жизненного цикла авиационных двухконтурных газотурбинных двигателей, имеет решающее значение для обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов.The number of damaged rolling bearings is only a few percent of the number of engines on which they are installed, but the consequences for the gas turbine engine and for the entire aircraft as a whole can be so significant that this puts this failure at one of the first places in the list of the most dangerous malfunctions. Failure of the inter-rotor bearing can lead to the creation and development of an emergency due to engine failure in flight and, as a result, the forced termination of the flight mission on airplanes with two engines or the loss of an aircraft if only one engine is installed on it. Therefore, the determination of the technical condition of the inter-rotor bearing and the control of its change, necessary for the early detection of incipient defects at all stages of the life cycle of aircraft dual-circuit gas turbine engines, is crucial to ensure the safety of aircraft operations.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является известное устройство для вибрационной диагностики межроторных подшипников двухвальных газотурбинных двигателей, содержащее вибродатчик, соединенный с системой обработки вибрационного сигнала и имеющий средства его фиксации на корпусе двигателя /RU 87798 U1, G01M 13/04, 20.10.2009, формула/.The closest in technical essence and the achieved technical result is a known device for vibration diagnostics of rotor bearings of twin-shaft gas turbine engines, containing a vibration sensor connected to a vibration signal processing system and having means for fixing it on the motor housing / RU 87798 U1, G01M 13/04, 20.10. 2009, formula.

В известном устройстве фиксацию вибросигнала осуществляют вибродатчиком, расположенным на корпусе двигателя. Однако при установке вибродатчика на корпусе двигателя происходит ослабление амплитуды вибрации дефектного подшипника, что не позволяет выделить ее из общего шумового фона даже при максимальной амплитуде вибрации от глубоких повреждений деталей подшипника. Это снижает вероятность обнаружения дефектного подшипника.In the known device, the fixation of the vibration signal is carried out by a vibration sensor located on the motor housing. However, when the vibration sensor is installed on the motor housing, the vibration amplitude of the defective bearing is weakened, which does not allow it to be distinguished from the general noise background even at the maximum vibration amplitude from deep damage to the bearing parts. This reduces the likelihood of detecting a defective bearing.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности результата при проведении оценки технического состояния межроторного подшипника.The task of the invention is to increase the reliability of the result when assessing the technical condition of the rotor bearing.

Ожидаемый технический результат - максимальное приближение к внешним условиям работы подшипника при проведении его диагностики и повышение достоверности результата при проведении оценки технического состояния межроторного подшипника.The expected technical result is a maximum approximation to the external operating conditions of the bearing during its diagnosis and increasing the reliability of the result when assessing the technical condition of the inter-rotor bearing.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что известное устройство для диагностики технического состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя, содержащее вибродатчик, соединенный с системой обработки вибрационного сигнала, и средство его фиксации на корпусе двигателя, по предложению снабжено виброводом для контакта с полкой рабочей лопатки турбины высокого давления, прижимным винтом с отверстием под вибровод, а средство фиксации на корпусе выполнено в виде полого цилиндрического стакана с внешним участком резьбы для его установки в окне осмотра передней части рабочих лопаток турбины высокого давления, вибровод размещен в цилиндрическом стакане и прижимном винте с возможностью его продольного перемещения и регулировки жесткости контакта посредством демпферной пружины, а вибродатчик закреплен на внешней торцевой части вибровода.The expected technical result is achieved by the fact that the known device for diagnosing the technical condition of the inter-rotor bearing of a twin-shaft gas turbine engine, comprising a vibration sensor connected to a vibration signal processing system, and means for fixing it on the engine body, is equipped with a vibrating conduit for contacting a shelf of a high pressure turbine blade , a clamping screw with a hole for the vibroconductor, and the fixing means on the body is made in the form of a hollow cylindrical glass with an external chastkom thread to install it in front of the inspection window of rotor blades of high pressure turbine vibrovod placed in a cylindrical beaker and the clamping screw with the possibility of longitudinal movement and by adjusting the contact stiffness of the damper spring, and the shock sensor is mounted on the outer end portion vibrovoda.

Работа устройства основана на комплексной вибродиагностике технического состояния межроторного подшипника двухвального газотурбинного двигателя, относящейся к неразрушающему контролю технического состояния роторов сложных механических систем.The operation of the device is based on a comprehensive vibration diagnostics of the technical condition of the rotor bearing of a twin-shaft gas turbine engine, related to non-destructive testing of the technical condition of rotors of complex mechanical systems.

Существенное значение для качественного проведения вибродиагностики имеет место установки вибродатчика, однотипность и качество его монтажа, что и обеспечивает предлагаемое устройство.The installation of the vibration sensor, the uniformity and quality of its installation, which ensures the proposed device, are essential for the quality of vibration diagnostics.

Невозможность получения достоверного результата при проведении диагностики технического состояния межроторного подшипника путем установки датчика вибрации на корпусе двигателя диктует необходимость приближения места установки датчика непосредственно к источнику вибрации, в нашем случае - к диагностируемому подшипнику с дефектами рабочих поверхностей. Конструктивно межроторный подшипник установлен между двумя вращающимися валами и находится в масляной полости, что не позволяет установить вибродатчик непосредственно на подшипник. Также препятствуют этому вращающиеся в процессе работы двигателя детали турбин и их высокие рабочие температуры.The impossibility of obtaining a reliable result when diagnosing the technical condition of the inter-rotor bearing by installing a vibration sensor on the motor housing dictates the need to approach the installation location of the sensor directly to the vibration source, in our case, to the diagnosed bearing with defects in working surfaces. Structurally, the rotor bearing is installed between two rotating shafts and is located in the oil cavity, which does not allow the vibration sensor to be mounted directly on the bearing. Turbine parts rotating during engine operation and their high operating temperatures also prevent this.

Конструктивные особенности предлагаемого устройства позволяют получать и исследовать вибрационные сигналы деталей ротора высокого давления, находящихся в непосредственном рабочем контакте, и с минимальными потерями и искажениями передать их на датчик.The design features of the proposed device allow you to receive and study the vibration signals of the parts of the high pressure rotor in direct working contact, and with minimal losses and distortions to transmit them to the sensor.

Вибровод выполняет функцию проводника вибросигнала, передающегося от рабочих деталей межроторного подшипника к вибродатчику, и может быть выполнен, например, в виде штока.The vibroconductor performs the function of a conductor of a vibration signal transmitted from the working parts of the inter-rotor bearing to the vibration sensor, and can be performed, for example, in the form of a rod.

Наличие в устройстве демпферной пружины, обладающей регулируемой жесткостью, позволяет установить оптимальную величину усилия прижима вибровода. Прижимной винт позволяет фиксировать пружину для достижения необходимого прижатия вибровода при его упоре в полку лопатки турбины высокого давления. Жесткость выбирается из условий обеспечения передачи на датчик максимально возможных высоких частот вибрации, для чего требуется обеспечить плотный контакт между деталями ротора и виброводом путем увеличения прикладываемой внешней силы. Кроме того, наличие демпфирующей пружины позволяет уменьшить потери полезного вибровоздействия на датчик от подшипника из-за гашения колебаний наружным корпусом газотурбинного двигателя, а также снизить паразитные корпусные воздействия от деталей двигателя, передающихся через вибровод на вибродатчик.The presence of a damper spring with adjustable stiffness in the device allows you to set the optimal amount of clamping force of the vibrator. The clamping screw allows you to fix the spring to achieve the necessary compression of the vibro when it stops in the shelf of the blades of the high pressure turbine. Rigidity is selected from the conditions for ensuring the highest possible vibration frequencies are transmitted to the sensor, for which it is necessary to ensure tight contact between the rotor parts and the vibrating conduit by increasing the applied external force. In addition, the presence of a damping spring reduces the loss of beneficial vibration to the sensor from the bearing due to damping of the vibrations by the outer casing of the gas turbine engine, as well as to reduce parasitic casing influences from engine parts transmitted through the vibrating conductor to the vibration sensor.

Цилиндрический стакан с внешним участком резьбы позволяет использовать окно осмотра передней части рабочих лопаток турбины высокого давления для фиксации в нем вибровода, что, в свою очередь, позволяет подводить датчик наиболее близко к источнику вибрации без разборки газотурбинного двигателя. Это существенно снижает трудозатраты при проведении диагностики технического состояния межроторного подшипника газотурбинного двигателя. Кроме того, фиксация вибровода позволяет избежать его перемещения при проведении диагностики технического состояния межроторного подшипника, что уменьшает наличие побочных вибрационных сигналов.A cylindrical cup with an external thread section allows you to use the inspection window of the front part of the blades of the high pressure turbine to fix the vibroguide in it, which, in turn, allows you to bring the sensor closest to the vibration source without disassembling the gas turbine engine. This significantly reduces labor costs when diagnosing the technical condition of the inter-rotor bearing of a gas turbine engine. In addition, the fixation of the vibration guide allows you to avoid its movement during the diagnosis of the technical condition of the inter-rotor bearing, which reduces the presence of side vibration signals.

На Фиг.1 приведен общий вид конструкции устройства, а на Фиг.2 - схема установки устройства на двигателе. На Фиг.1 и 2 обозначено: 1 - вибродатчик; 2 - прижимной винт; 3 - цилиндрический стакан; 4 - демпферная пружина; 5 - вибровод; 6 - окно осмотра передней части рабочих лопаток турбины высокого давления; 7 - рабочая лопатка турбины высокого давления; 8 - диск турбины высокого давления; 9 - межроторный подшипник.Figure 1 shows a General view of the design of the device, and Figure 2 is a diagram of the installation of the device on the engine. In figures 1 and 2 are indicated: 1 - vibration sensor; 2 - clamping screw; 3 - a cylindrical glass; 4 - damper spring; 5 - a vibroconductor; 6 is a window for inspecting the front of the blades of a high pressure turbine; 7 - working blade of a high pressure turbine; 8 - disk turbine high pressure; 9 - inter-rotor bearing.

Устройство работает следующим образом. Контроль технического состояния межроторного подшипника 9 выполняется на неработающем двигателе. Предварительно на этапе изготовления определяют собственные частоты устройства и отстраивают их от резонансных частот элементов двигателя и измеряемых рабочих частот вибрации контролируемых подшипников. Перед началом работ демонтируют заглушки окон 6 осмотра передней части рабочих лопаток 7 турбины высокого давления. В резьбовое соединение окна 6 вворачивают полый цилиндрический стакан 3, в который посредством прижимного винта 2 устанавливают вибровод 5 с размещенным на нем низкочастотным или высокочастотным вибродатчиком 1 и системой обработки вибрационного сигнала. Вибровод 5 устанавливают в упор к полке лопатки 7 турбины высокого давления, величину прижима регулируют прижимным винтом 2, воздействующим на демпферную пружину 4. Для оценки величины амплитуды вибрации, возбуждаемой межроторным подшипником 9, производят раскрутку ротора низкого давления с помощью ручного привода. Вибросигнал от межроторного подшипника 9 через диск 8 и полку рабочей лопатки 7 турбины высокого давления передается виброводом 5 на вибродатчик 1. Осуществляют анализ вибросигнала в режиме постобработки и диагностируют наличие повреждения подшипников.The device operates as follows. Monitoring the technical condition of the rotor bearing 9 is performed on an idle engine. Previously, at the manufacturing stage, the device’s natural frequencies are determined and they are tuned from the resonant frequencies of the engine elements and the measured operating frequencies of the vibration of the bearings being monitored. Before starting work, they remove the plugs of the windows 6 for inspecting the front of the working blades 7 of the high pressure turbine. A hollow cylindrical glass 3 is screwed into the threaded connection of the window 6, into which, by means of the clamping screw 2, a vibrating conduit 5 with a low-frequency or high-frequency vibration transducer 1 and a vibration signal processing system is placed on it. The vibrating conduit 5 is set against the flange of the blade 7 of the high-pressure turbine, the amount of pressure is regulated by the clamping screw 2 acting on the damper spring 4. To estimate the amplitude of the vibration excited by the inter-rotor bearing 9, the low-pressure rotor is unwound using a manual drive. The vibration signal from the inter-rotor bearing 9 through the disk 8 and the shelf of the working blade 7 of the high pressure turbine is transmitted by the vibrating wire 5 to the vibration sensor 1. The vibration signal is analyzed in the post-processing mode and the presence of damage to the bearings is diagnosed.

Применение предлагаемого устройства позволяет: повысить чувствительность и избирательность аппаратуры вибродиагностики за счет выбора места установки и параметров вибровода и, как следствие, повысить достоверность результата при проведении оценки технического состояния межроторного подшипника; обеспечить сохранение условий работы подшипника, влияющих на результаты проведения замеров вибрации; уменьшить трудовые и финансовые затраты за счет проведения вибродиагностики на неработающем двигателе, что позволяет выполнять работы при проведении всех видов технического обслуживания авиационной техники.The application of the proposed device allows you to: increase the sensitivity and selectivity of the vibrodiagnostic equipment by choosing the installation location and parameters of the vibratory duct and, as a result, increase the reliability of the result when assessing the technical condition of the inter-rotor bearing; to ensure the preservation of the operating conditions of the bearing, affecting the results of vibration measurements; reduce labor and financial costs by conducting vibration diagnostics on an idle engine, which allows you to perform work when carrying out all types of maintenance of aircraft.

Claims

A device for diagnosing the technical condition of the rotor bearing of a twin-shaft gas turbine engine, comprising a vibration sensor connected to a vibration signal processing system, and means for fixing it on the engine housing, characterized in that it is provided with a vibrating conduit for contacting a shelf of a high pressure turbine blade, a clamping screw with a hole under the vibroconductor, and the fixing means on the body is made in the form of a hollow cylindrical glass with an external thread section for its installation in the inspection window before parts of the working blades of a high-pressure turbine, the vibroconductor is placed in a cylindrical cup and a clamping screw with the possibility of its longitudinal movement and adjustment of the contact stiffness by means of a damper spring, and the vibration transducer is mounted on the outer end part of the vibration guide.